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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Ventilbetätigungsmechanismus zum Öffnen und Schließen eines Einlaß- oder
Ausgangsdurchgangs synchron mit der Drehung der Kurbelwelle eines
Verbrennungsmotors, und insbesondere einen
Ventilbetätigungsmechanismus, der eine Schaltvorrichtung aufweist zum
stufenweise Ändern des Betätigungstimings des Ventils in
Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
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Jede der Brennkammern eines Viertaktverbrennungsmotors hat Einlaß-
und Auslaßventile zum Ansaugen eines Luft-Kraftstoffgemisches
in und Abgeben verbrannter Gase aus der Brennkammer mit einem
vorbestimmten Timing. Diese Ventile sind normalerweise durch
Ventilfedern, die um die jeweiligen Ventilstiele der Ventile
herum angeordnet sind, in eine Schließstellung vorgespannt.
Die Ventile werden zwangsweise gegen die Grundkraft der
Ventilfedern durch Nocken geöffnet, die mit Nockenwellen
einstückig geformt sind, die durch die Kurbelwelle des Motors
durch einen Riemenscheibenmechanismus gedreht werden.
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Ein derartiger Ventilbetätigungsmechanismus unterliegt in
Abhängigkeit vom Betrieb des Motors thermischen Verformungen. Um
Schwierigkeiten zu vermeiden, die andernfalls durch thermische
Ausdehnung verursacht würden, ist ein Spalt, genannt
Ventilspiel, zwischen einem Ventil und einem zugeordneten Nocken
vorgesehen. Aufgrund des Ventilspiels entsteht ein Geräusch,
wenn das Ventil aufsitzt, jedoch sollte dieses Geräusch so
gering wie möglich sein. Um dieses Ventilsitzgeräusch zu
minimieren, enthält das Nockenprofil, das die Änderungsrate des
Nockenhubs bezüglich der Winkelverlagerung des Nockens
bestimmt, Dämpfflächen, die an den Grundkreis des Nockens
anschließen, wie etwa in der GB-A-637 950 beschrieben, um die
Bewegungsgeschwindigkeit des Ventils in denjenigen
Nockenprofilabschnitten zu begrenzen, die das Öffnen des Ventils
beginnen und dessen Schließen beenden.
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Es wurden verschiedene Anordnungen vorgeschlagen, in denen das
Betätigungstiming eines Ventils in Abhängigkeit von der
Drehzahl des Motors variiert wird, um den Wirkungsgrad, mit dem
ein Luft-Kraftstoffgemisch in die Brennkammer geladen wird,
über einen weiten Bereich von Fahrzuständen zu erhöhen.
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Eine herkömmliche Vorrichtung zum Schalten von
Ventilbetätigungsmodi ist beispielsweise in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 61-19911 beschrieben. Diese bekannte
Schaltvorrichtung umfaßt einen Niederdrehzahlnocken, der einem
Einlaß- oder Auslaßventil zugeordnet ist und ein Nockenprofil
aufweist, das einem Niederdrehzahlbereich des Motors
entspricht, und einen Hochdrehzahlnocken mit einem Nockenprofil,
das einem Hochdrehzahlbereich des Motors entspricht, wobei die
Nocken integral an einer Nockenwelle ausgebildet sind, die
synchron mit der Drehung des Motors um ihre eigene Achse
drehbar ist. Die Schaltvorrichtung umfaßt ferner einen ersten
Kipphebel, der mit dem Niederdrehzahlnocken in Gleitkontakt
gehalten ist und mit dem Einlaß- oder Auslaßventil in Eingriff
bringbar ist, einen zweiten Kipphebel, der mit dem anderen Einlaß-
oder Auslaßventil in Eingriff bringbar ist, und einen dritten
Kipphebel, der mit dem Hochdrehzahlnocken in Gleitkontakt
gehalten ist. Die ersten bis dritten Kipphebel sind an einer
Kipphebelwelle nebeneinanderliegend zur relativen
Winkelverlagerung angebracht. Ein selektives Kupplungsmittel ist in den
ersten bis dritten Kipphebeln angeordnet zum Umschalten
zwischen einem Modus, in dem die ersten bis dritten Kipphebel
zur gemeinsamen Bewegung miteinander gekuppelt sind, und einem
anderen Modus in dem die ersten bis dritten Kipphebel zur
relativen Winkelverlagerung zwischen ihnen voneinander getrennt
sind.
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Wenn die Dämpfflächen der Hoch- und Niederdrehzahlnocken in
einem solchen Ventilbetätigungsmechanismus ähnliche Steigungen
haben, könnten sich die Hubkurven dieser Nocken aufgrund von
Herstellungsfehlern gegenseitig stören. Wenn eine Mehrzahl von
miteinander gekuppelten Kipphebeln durch den
Hochdrehzahlnocken betätigt wird, können sich diese Kipphebel sogar mit
dem Niederdrehzahlnocken stören.
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Im Hinblick auf die obigen Nachteile des herkömmlichen
Ventilbetätigungsmechanismus ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Ventilbetätigungsmechanismus eines
Verbrennungsmotors aufzuzeigen, der keine gegenseitige Störung zwischen Hoch-
und Niederdrehzahlnocken in denjenigen Bereichen mit sich
bringt, die von Grundkreisabschnitten, d.h. deren Dämpfflächen
abstehen.
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Aus der EP-A-0 265 281 ist es bekannt, einen
Ventilbetätigungsmechanismus für einen Verbrennungsmotor aufzuzeigen,
umfassend eine Mehrzahl von drehbaren Nocken, deren
Nockenprofile Drehzahlbereichen des Motors entsprechen, ein Ventil, das
in einem Einlaß- oder Auslaßdurchgang einer Brennkammer
angeordnet und durch Federmittel normalerweise geschlossen und
durch die Nocken zu öffnen ist, eine Mehrzahl von
Übertragungsteilen, die jeweils den Nocken zugeordnet ist, um
Nockenhübe der Nocken dem Ventil mitzuteilen, und Schaltmittel zum
selektiven Verbinden und Trennen der Übertragungsteile.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Nockenprofil einen Grundkreisabschnitt und an den
Grundkreisabschnitt anschließende Dämpfflächen aufweist, wobei die
Dämpfflächen der Nocken für Nieder- und Hochdrehzahlbereiche
die Grundkreise derart schneiden, daß der Nockenhub in dem
Hochdrehzahlbereich vor dem Nockenhub in dem
Niederdrehzahlbereich beginnt und nach diesem endet, wobei die Änderungsrate
des Nockenhubs in jeder der Dämpfflächen bezüglich der
Winkelverlagerung der Nocken für die zur Betätigung in den Hoch- und
Niederdrehzahlbereichen verwendeten Nocken für jeden
Drehzahlbereich eine vorbestimmte Größe hat, um eine gegenseitige
Störung der jeweiligen Dämpfflächen während des Öffnens und
Schließens der Ventile zu vermeiden.
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Bei geeigneter Einrichtung der Öffnungswinkel der Ventile
durch Hoch- und Niederdrehzahlnocken können die Dämpfflächen
dieser Nocken einen ausreichenden Abstand voneinander haben,
um eine gegenseitige Störung zu vermeiden.
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Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend beispielshalber und unter Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
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Fig. 1 ist eine Teilaufsicht eines erfindungsgemäßen
Ventilbetätigungsmechanismus mit einer Ventilbetätigungsmodus-
Schaltvorrichtung;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II
in Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Ansicht des Ventilbetätigungsmechanismus,
gesehen in Richtung des Pfeils III in Fig. 1;
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Fig. 4 ist eine Querschnittsaufsicht entlang Linie IV-IV
von Fig. 3 und zeigt einen Niederdrehzahlbetätigungsmodus;
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Fig. 5 ist eine zur Fig. 4 ähnliche Ansicht und zeigt
einen Hochdrehzahlbetätigungsmodus; und
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Fig. 6 zeigt graphisch Änderungsraten von Ventilhüben
bezüglich der Winkelverlagerung von Nocken.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist ein Paar von Einlaßventilen 1a, 1b
in dem Körper eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt)
angebracht. Selektiv geöffnet und geschlossen werden die
Einlaßventile 1a, 1b durch ein Paar von Niederdrehzahlnocken 3a, 3b
oder einen einzelnen Hochdrehzahlnocken 4, welche Nocken einen
im wesentlichen eiförmigen Querschnitt haben und an einer
Nockenwelle 2 integral geformt sind, die durch die Kurbelwelle
des Motors mit einem Drehzahlverhältnis von 1/2 bezüglich der
Drehzahl der Kurbelwelle drehbar ist, sowie durch die Nocken
3a, 4, 3b jeweils ergreifende erste, zweite und dritte
Kipphebel 5, 6, 7, die als Ventilhubübertragungsteile im Winkel
beweglich sind. Der Verbrennungsmotor hat weiter ein Paar von
Auslaßventilen (nicht gezeigt), die in der gleichen Weise wie
die Einlaßventile 1a, 1b geöffnet und geschlossen werden
können.
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Die ersten bis dritten Kipphebel 5, 6, 7 sind einander
benachbart schwenkbar an einer Kipphebelwelle 8 gehaltert, die unter
und parallel zu der Nockenwelle 2 verläuft. Die ersten und
dritten Kipphebel 5, 7 haben die gleiche Grundkonfiguration.
Proximale Enden der ersten und dritten Kipphebel 5, 7 sind an
der Kipphebelwelle 8 gehaltert und ihre freien Enden
erstrecken sich jeweils über die Einlaßventile 1a, 1b. Durch die
freien Enden der ersten und dritten Kipphebel 5, 7 sind
Ventilspiel-Einstellschrauben 9a, 9b einstellbar eingeschraubt,
so daß sie die Oberenden der Einlaßventile 1a, 1b ergreifen
können. Jeweilige Sperrmuttern 10a, 10b verhindern, daß sich
die Ventilspiel-Einstellschrauben 9a, 9b lösen.
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Der zweite Kipphebel 6 ist an der Kipphebelwelle 8 zwischen
den ersten und dritten Kipphebeln 5, 7 im Winkel beweglich
gehaltert. Der zweite Kipphebel 6 erstreckt sich von der
Kipphebelwelle
8 ein kleines Stück zu den und zwischen die
Einlaßventile 1a, 1b. Wie besser in Fig. 2 zu sehen, hat der zweite
Kipphebel 6 an seiner oberen Fläche eine Nockengleitfläche 6a,
die mit dem Hochdrehzahlnocken 4 in Gleitkontakt gehalten ist,
und ist weiter mit seiner unteren Fläche in Abstützung gegen
das Oberende eines Hebers 12 gehalten, der in ein in einem
Zylinderkopf 11 gebildetes Führungsloch 11a gleitend
eingesetzt ist. Der Heber 12 ist normalerweise durch eine
Schraubenfeder 13 nach oben vorgespannt, die zwischen dem Innenende
des Hebers 12 und dem Boden des Führungslochs 11a eingesetzt
ist, um die Nockengleitfläche 6a des zweiten Kipphebels 6
jederzeit gleitend gegen den Hochdrehzahlnocken 4 zu halten.
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Wie oben beschrieben, ist die Nockenwelle 2 über dem
Motorkörper drehbar befestigt und trägt integral die
Niederdrehzahlnocken 3a, 3b, die jeweils zu den ersten und dritten
Kipphebeln 5, 7 fluchten, und den Hochdrehzahlnocken 4, der zu dem
zweiten Kipphebel 6 fluchtet. Wie in Fig. 3 gezeigt, haben die
Niederdrehzahlnocken 3a, 3b jeweils ein Nockenprofil mit einem
relativ geringen Hub einer Form, die für Niederdrehzahlbetrieb
des Motors optimal ist. Die Außenumfangsflächen der
Niederdrehzahlnocken 3a, 3b sind in Gleitkontakt mit
Nockengleitflächen 5a, 7a jeweils an den oberen Flächen der ersten und
dritten Kipphebel 5, 7 gehalten. Der Hochdrehzahlnocken 4 hat ein
Nockenprofil mit einem höheren Hub und einer weiteren
Winkelerstreckung einer Form, die für Hochdrehzahlbetrieb des Motors
optimal ist. Die Außenumfangsfläche des Hochdrehzahlnockens 4
ist in Gleitkontakt mit der Nockengleitfläche 6a des zweiten
Kipphebels 6 gehalten. Der Klarheit wegen ist der Heber 12 aus
der Darstellung in Fig. 3 weggelassen.
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An den Oberenden der Ventilstiele der Einlaßventile 1a, 1b
sind jeweils Halter 15a, 15b angebracht. Ventilfedern 16a, 16b
sind um die Ventilstiele der Einlaßventile 1a, 1b zwischen den
Haltern 15a, 15b und dem Motorkörper angeordnet, um die
Ventile 1a,
1b normalerweise nach oben (gemäß Fig. 3) in eine
Richtung zum Schließen dieser Ventile vorzuspannen.
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Die ersten bis dritten Kipphebel 5, 6, 7 lassen sich zwischen
einem Modus, in dem sie gemeinsam schwenkbar sind, und einem
anderen Modus, in dem sie relativ zueinander verschiebbar
sind, durch einen selektiven Kupplungsmechanismus 14 selektiv
umschalten, der in Löchern angebracht ist, die mittig durch
die Kipphebel 5 bis 7 parallel zu der Kipphebelwelle 8
festgelegt sind.
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Der selektive Kupplungsmechanismus 14 ist in den Fig. 4 und 5
gezeigt und wird nun beschrieben. Ein erstes Führungsloch 17
ist in dem ersten Kipphebel 5 parallel zu der Kipphebelwelle 8
festgelegt und zu dem zweiten Kipphebel 6 offen. Eine
Luftkernspule 18 ist koaxial in dem ersten Führungsloch 17 an
dessen Boden angeordnet. Zwischen gegenüberliegenden Seiten des
zweiten Kipphebels 6 ist ein zweites Führungsloch 19
festgelegt, das zu dem ersten Führungsloch 17 in dem ersten
Kipphebel 5 fluchtet. Ein drittes Führungsloch 20 des dritten
Kipphebels 7 fluchtet zu dem zweiten Führungsloch 19. In dem Boden
des dritten Führungslochs 20 des zweiten Kipphebels 7 ist ein
hierzu koaxiales Durchgangsloch 21 kleineren Durchmessers
festgelegt.
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Die ersten, zweiten und dritten Führungslöcher 17, 19, 20
enthalten einen ersten Kolben 22, der zwischen einer Position, in
der er die ersten und zweiten Kipphebel 5, 6 verbindet (Fig.
5), und einer Position, in der er die ersten und zweiten
Kipphebel 5, 6 trennt (Fig. 6), beweglich ist, einen zweiten
Kolben 23, beweglich zwischen einer Position, in der er die
zweiten und dritten Kipphebel 6, 7 verbindet, und einer Position,
in der er die zweiten und dritten Kipphebel 6, 7 trennt,
beweglich ist, einen Anschlag 24 zum Begrenzen der Distanz, über
die sich die Kolben 22, 23 in der Aufwärtsrichtung bewegen,
eine erste Schraubenfeder 25 zum normalerweise Vorspannen der
Kolben 22, 23 in einer Richtung zum Trennen der Kipphebel 5,
6, 7 sowie eine zweite Schraubenfeder 26 mit einer kleineren
Federkonstante als der der ersten Schraubenfeder 25 zum
normalerweise Vorspannen der Kolben 22, 23 in eine Richtung
zum Verbinden der Kipphebel 5, 6, 7.
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Der erste Kolben 22 hat eine axiale Abmessung, die im
wesentlichen gleich der Gesamtlänge des zweiten Führungslochs 19
ist, und einen Durchmesser, der in die ersten und zweiten
Führungslöcher 17, 19 gleitend paßt.
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Der zweite Kolben 23 ist so bemessen, daß er in die zweiten
und dritten Führungslöcher 19, 20 gleitend paßt. Der zweite
Kolben 23 hat eine derartige axiale Abmessung, daß, wenn sich
ein Ende des zweiten Kolbens 23 gegen den Boden des dritten
Führungslochs 20 abstützt, das andere Ende des zweiten Kolbens
23 mit der zu dem zweiten Kipphebel 6 weisenden Seite des
dritten Kipphebels 7 fluchtet und über diese nicht vorsteht.
Der zweite Kolben 23 hat die Form eines Sackzylinders, wobei
die zweite Schraubenfeder 26 unter Kompression zwischen dem
Innenende des zweiten Kolbens 23 und dem Boden des dritten
Führungslochs 20 angeordnet ist.
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Der Anschlag 24 umfaßt an seinem einen Ende eine Scheibe 27,
die in das erste Führungsloch 17 gleitend eingesetzt ist, und
an seinem anderen Ende eine Führungsstange 29, die in einen
Luftkern oder ein Loch 28 der Spule 18 ragt. Die erste
Schraubenfeder 25 ist unter Kompression um die Spule 18 herum
zwischen der Scheibe 27 des Anschlags 24 und dem Boden des
ersten Führungslochs 17 angeordnet.
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Der Betrieb der Ventilbetätigungsmodus-Schaltvorrichtung mit
dem selektiven Kupplungsmechanismus 14 wird nachfolgend unter
Bezug auf die Fig. 4 und 5 beschrieben.
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Während der Motor in Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen
arbeitet, bleibt die Spule 18 entregt. Weil die Federkonstante
der ersten Schraubenfeder 25 höher als die der zweiten
Schraubenfeder 26 ist, sind die Kolben 22, 23 unter der Vorspannung
der ersten Schraubenfeder 25 jeweils in den Führungslöchern
19, 20 angeorndet, wie in Fig. 4 gezeigt. Daher sind die
Kipphebel 5, 6, 7 relativ zueinander im Winkel verschiebbar.
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Wenn die Kipphebel 5, 6, 7 durch den selektiven
Kupplungsmechanismus 14 voneinander getrennt werden, dann werden die
ersten und dritten Kipphebel 5, 6, 7, die in Gleitkontakt mit
den Niederdrehzahlnocken 3a, 3b sind, hierdurch in Antwort auf
Drehung der Nockenwelle 2 verschwenkt. Die Einlaßventile 1a,
1b werden mit verzögertem Timing geöffnet und vorgezogenem
Timing geschlossen und über einen kleineren Hub geöffnet und
geschlossen. Hierbei wird der zweite Kipphebel 6 durch den
Gleitkontakt mit dem Hochdrehzahlnocken 4 verschwenkt, aber
diese Schwenkbewegung des zweiten Kipphebels 6 beeinflußt den
Betrieb der Einlaßventile 1a, 1b überhaupt nicht.
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Während der Motor in einem Hochdrehzahlbereich arbeitet, wird
die Spule 18 in seitlicher Beziehung zu einem erfaßten Signal,
das einen Kurbelwinkel o.dgl. anzeigt, erregt. Wie in Fig. 5
gezeigt, wird der Anschlag 24 gegen die Vorspannung der ersten
Schraubenfeder 25 zu der Spule 18 magnetisch angezogen, worauf
die ersten und zweiten Kolben 22, 23 unter der Vorspannkraft
der zweiten Schraubenfeder 26 zu dem ersten Kipphebel 5 hin
bewegt werden. Infolgedessen werden die ersten und zweiten
Kipphebel 5, 6 durch den ersten Kolben 22 miteinander
verbunden und die zweiten und dritten Kipphebel 6, 7 werden durch
den zweiten Kolben 23 miteinander verbunden.
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Durch Kupplung der ersten, zweiten und dritten Kipphebel 5, 6,
7 miteinander durch den selektiven Kupplungsmechanismus 14 und
weil der zweite Kipphebel 6 in Gleitkontakt mit dem
Hochdrehzahlnocken
4 gehalten ist, der am weitesten verschwenkt,
werden die ersten und dritten Kipphebel 5, 7 mit dem zweiten
Kipphebel 6 im Winkel verschwenkt. Daher werden die
Einlaßventile 1a, 1b gemäß dem Nockenprofil des Hochdrehzahlnockens 4
mit vorgezogenem Timing geöffnet, mit verzögerten Timing
geschlossen und mit einem größeren Hub geöffnet und geschlossen.
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Während hoher Drehzahl des Motors sollten die ersten und
dritten Kipphebel 5, 7 nicht durch die Niederdrehzahlnccken 3a, 3b
beeinflußt werden. Wie oben beschrieben, umfassen die
Nockenprofile Dämpfflächen in Bereichen zwischen den
Grundkreisabschnitten und den die Ventile anhebenden
Nockennasenabschnitten zur Dämpfung von Stößen, wenn die Ventile ihr Öffnen
beginnen und ihr Schließen beenden. Wie in Figur 6 mit dek
Nockenhubkurven H', L' gezeigt, können, wenn die Dämpfflächen
CH', CL' der Niederdrehzahlnocken 3a, 3b und des
Hochdrehzahlnockens 4 ähnliche Steigungen haben, sich diese Dämpfflächen
CH', CL' aufgrund akkumulierter Herstellungs- oder
Montagefehler in verschiedenen Komponenten des
Ventilbetätigungsmechanismus aneinander stören. Wenn eine solche gegenseitige
Störung auftritt, wollen die Nockengleitflächen 5a, 7a der ersten
und dritten Kipphebel 5, 7 die Dämpfflächen der
Niederdrehzahlnocken 3a, 3b berühren, welche die Nockengleitflächen 5a,
7a im Hochdrehzahlbereich nicht berühren sollten, was ein
unnormales Geräusch erzeugt.
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Erfindungsgemäß, wie in den Zonen CH, CL in Fig. 6 gezeigt,
ist die Änderungsrate H des Ventilhubs in der Dämpffläche des
Hochdrehzahlnockens 4 bezüglich seiner Winkelverschiebung
verringert, oder die Änderungsrate L des Ventilhubs in der
Dämpffläche jedes Niederdrehzahlnockens 3a, 3b bezüglich seiner
Winkelverschiebung ist erhöht, oder beide Änderungsraten H, L
können so modifiziert sein, d.h. jeweils verringert und
erhöht, um die Trennung dieser Dämpfabschnitte der Nockenprofile
zu vergrößern. Diese Modifikation der Nockenprofile beseitigt
die Möglichkeit gegenseitiger Störung zwischen den
Dämpfflächen der Nocken, die zur sanften Überführung der
Nockengleitflächen von den Grundkreisabschnitten zu den Nockennasen der
Nocken vorgesehen sind. Die Linien H, H', L, L' in Fig. 6 und
die obige Beschreibung sind gleichermaßen für die
Öffnungsbewegung und die Schließbewegung der Ventile anwendbar.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellte
Struktur der selektiven Kupplung beschränkt, sondern die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind gleichermaßen bei
Ventilbetätigungsmechanismen anwendbar, die jeweils eine Mehrzahl
von Nocken aufweisen, deren unterschiedliche Nockenprofile den
jeweiligen Drehzahlbereichen entsprechen.
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In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung ist ein
ausreichender Spalt oder Abstand zwischen den Dämpfflächen der
Nieder- und Hochdrehzahlnocken vorgesehen, ohne den
Öffnungswinkel der Ventile zu beeinflußen. Weil die
Betätigungsgeschwindigkeit der Ventile im Hochdrehzahlbereich hoch ist, ist
die verringerte Steigung der Dämpfflächen des
Hochdrehzahlnockens, wie in der obigen Ausführung gezeigt, außerordentlich
wirksam bei der Minderung von Geräusch, das beim Aufsitzen der
Ventile entsteht. Die vergrößerte Steigung der Dämpfflächen
der Niederdrehzahlnocken verursacht keine ernsten
Schwierigkeiten, weil die Betätigungsgeschwindigkeit der Ventile
niedrig ist, wenn sie durch die Niederdrehzahlnocken betätigt
werden.